РАЗГРУЖЕННЫЙ СИЛЬФОННЫЙ КОМПЕНСАТОР Российский патент 1997 года по МПК F16L51/03 F16J3/04 

Изобретение относится к области компенсирующих устройств и защитной амортизации машиностроения и может быть использовано во всех отраслях техники для компенсации деформации газопроводов, паропроводов, воздухопроводов, присоединяемых к амортизируемым механизмам в качестве виброизолирующего элемента.

В соответствие с каталогом фирмы "ГИДРА" ("HYDRA") Expansion Ioins, 1973 г. известны конструкции загруженных сильфонных компенсаторов, состоящих из соосно расположенных сильфонов с присоединенными фланцами, загрузочными тягами без шарнирных узлов или направляющих патрубков, выполняющих одновременно функции загрузочных элементов.

Основным недостатком этих конструкций является возможность компенсации только осевых перемещений трубопроводов и механизмов.

Наиболее близким техническим решением является конструкция разгруженного сильфонного компенсатора в соответствии с а.с. СССР N 156390, кл. F 16 L 51/03, 1962, принятого в качестве прототипа.

В указанном изобретении описано устройство сильфонного компенсатора, предназначенного для восприятия деформаций, возникающих от теплового расширения трубопроводов, погрешностей монтажа, а также для снижения вибрационных и динамических нагрузок, передающихся от амортизированных энергетических установок.

Этот компенсатор выполнен в виде сильфонов, концентрически расположенных внутри третьего, соединительных переходных патрубков, плавающей гильзы, помещенной внутри сильфонов меньшего диаметра, внутренних и наружных фланцев и разгрузочных тяг, установленных по образующей с наружной стороны сильфонов и попарно соединяющих внешние фланцы с противоположными внутренними фланцами, имеющими на концах сферические шайбы.

Известно, что при создании современных энергетических установок с высокими параметрами рабочей среды (пара) возникает необходимость создания средств защитной амортизации, одним из элементов которой является сильфонный компенсатор.

Сильфонный компенсатор в своем конструктивном исполнении должен содержать элементы, которые компенсируют деформации, возникающие от теплового расширения трубопроводов, погрешностей монтажа, воспринимают знакопеременные статические и динамические деформации (осевое сжатие-растяжение, сдвиг и изгиб), крутящие моменты, уменьшают уровень вибраций, передающихся по трубопроводу, а также защищают от эрозивного износа внутренние слои многослойного сильфона и уменьшают гидравлическое сопротивление компенсатора.

В указанном сильфоном компенсаторе в соответствии с а.с. СССР N 156390 имеется существенный недостаток, влияющий на работоспособность и ресурс, а также на вес и габаритные размеры компенсатора. Это проявляется в том, что конструктивное расположение разгрузочных тяг по образующей с наружной стороны сильфонов значительно увеличивает вес и габариты компенсатора, а также величины изгибающих моментов, передаваемых на фланцы при воздействии внутреннего давления рабочей среды.

Снижение нагрузок на фланцы наиболее актуально в конструкциях сильфонных компенсаторов, установленных в паропроводах атомных электрических станций (АЭС), где при резких изменениях давления рабочей среды, в момент аварийного пуска и остановки паротурбинной установки, возможна разгерметизация фланцевых соединений и, как следствие, авария в паропроводной системе.

В разработанных и поставляемых промышленностью конструкциях сильфонных компенсаторов (D_у≅450) допустимые нагрузки (напряжения) во фланцах обеспечиваются путем увеличения их толщин. Однако создание сильфонных компенсаторов на более высокие параметры рабочих сред и условные проходы (D_у>450) путем дальнейшего увеличения толщины фланцев становится технически и экономически нецелесообразным из-за значительного увеличения весогабаритных характеристик и стоимости конструкций, а также в ряде случаев невозможного их изготовления промышленностью.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритных размеров и массы сильфонного компенсатора, повышение его надежности при эксплуатационных нагрузках.

Необходимый технический результат достигается тем, что в известной конструкции разгруженного сильфонного компенсатора, состоящего из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективной площади боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, разгрузочными тягами, установленными по образующей с наружной стороны сильфонов и попарно соединяющих внешние фланцы с противоположными внутренними фланцами, введены следующие усовершенствования:
разгрузочные тяги расположены по образующей с наружной стороны боковых сильфонов и внутри среднего сильфона;
разгрузочные тяги внутри среднего сильфона изолированы от рабочей среды гибкими элементами, например сильфонами или шлангами, соединенными с внутренними фланцами непосредственно или через промежуточные патрубки;
эффективная площадь среднего сильфона равна сумме эффективных площадей двух боковых сильфонов и изолирующих элементов.

Расположение разгрузочных тяг по образующей с наружной стороны боковых сильфонов и внутри среднего сильфона позволяет за счет уменьшения плеча (диаметра расположения тяг) уменьшить нагрузку (величину изгибающего момента) на фланцы от внутреннего диаметра рабочей среды и тем самым увеличить надежность и ресурс конструкции. При таком расположении тяг отпадает необходимость увеличения наружных диаметров фланцев (боковых и внутренних) за пределы среднего сильфона для крепления шарнирных узлов. Кроме того, такое расположение тяг позволяет снизить толщину фланцев, массу и габаритные размеры компенсатора.

Изоляция разгрузочных тяг внутри среднего сильфона гибкими элементами, например сильфонами или шлангами, соединенными с внутренними фланцами непосредственно или через промежуточные патрубки, обеспечивает герметичность компенсатора в зоне установки тяг при воздействии внутреннего давления рабочей среды; перемещениях фланцев относительно друг друга; воздействии внешних статических и динамических нагрузок на компенсатор.

Эффективная площадь среднего сильфона, определяемая как сумма эффективных площадей двух боковых сильфонов и изолирующих элементов, равна
Fэфср

Эффективная площадь любого сильфона определяется

где D_вн внутренний диаметр сильфона,
D_н наружный диаметр сильфона.

Равенство эффективной площади среднего сильфона сумме эффективных площадей двух боковых сильфонов и изолирующих элементов обеспечивает разгрузку сильфонного компенсатора. Это достигается путем равновесия распорных усилий, действующих в компенсаторе при внутреннем давлении среды, т.е. сумма всех распорных усилий в компенсаторе равна нулю.

или
Q_ср-2Q_бок-Q_из•n=0
где Q_ср,Q_бок,Q_из распорные усилия,
P внутреннее давление среды.

Условие равновесия распорных усилий является основным требованием при создании разгрузочных сильфонов компенсаторов. От равновесия распорных усилий в решающей степени зависят характеристики компенсатора. Если сумма всех распорных усилий равна нулю, компенсатор не передает при эксплуатации усилия на опоры трубопроводов и механизмов и тем самым обеспечивает снижение затрат на строительство трубопроводных систем и механизмов.

На чертеже изображена в продольном разрезе конструкция предлагаемого сильфонного компенсатора.

Компенсатор состоит из внешних 1 и внутренних 2 фланцев, соединительных патрубков 3,4,5, боковых 6 и среднего 7 сильфонов, разгрузочных тяг 8, гибких элементов сильфонов 9. Разгрузочные тяги 8 имеют шарнирные узлы, состоящие из упорных шайб 10, самоцентрирующихся кулачков 11 и опорных гаек 12.

Разгрузочные тяги 8, воспринимающие распорные усилия, попарно соединяют внешние фланцы 1 с противоположными внутренними фланцами 2. Шарнирные узлы на концах тяг устраняют изгиб тяг 8 при сдвиге и изгибе компенсатора, а также снижают сдвиговую и изгибную жесткость компенсатора.

Для уменьшения гидравлического сопротивления и эрозивного износа сильфонов внутри компенсатора установлены консольные направляющие патрубки 13 и 14, не препятствующие работе компенсатора. Защитные кожухи 15 и 16 предохраняют сильфоны от наружных повреждений
Предложенная конструкция сильфонного компенсатора позволяет воспринимать статические и динамические деформации (сжатие-растяжение, сдвиг и изгиб), вызванные тепловыми расширениями трубопровода, погрешностью монтажа и вибрацией амортизированных механизмов.

Предложенная конструкция сильфонного компенсатора обеспечивает получение компенсаторов с меньшими габаритными размерами и массой, повышенной надежностью. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет создавать сильфонные компенсаторы на более высокие параметры рабочих сред и условные диаметры (D_у>450).

Предложенная конструкция сильфонного компенсатора позволит найти новое решение в качестве гибкого виброизолирующего элемента в паропроводах АЭС с высокими параметрами рабочей среды при создании современных энергетических установок, а также обеспечит перспективу широкого использования конструкции в судостроении, газовой и нефтяной и других отраслях промышленности.

Использование: строительство трубопроводов. Сущность изобретения: в разгруженном сильфонном компенсаторе на фланцах закреплены три соосных сильфона. Разгрузочные тяги размещены с наружной стороны двух сильфонов и проходят внутри третьего, большего по диаметру сильфона. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Разгруженный сильфонный компенсатор, состоящий из трех соосных сильфонов, двух одинаковых боковых и среднего с эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей боковых сильфонов, снабженных соответственно фланцами, разгрузочными тягами, установленными по образующей с наружной стороны сильфонов и попарно соединяющими внешние фланцы с противоположными внутренними фланцами, отличающийся тем, что разгрузочные тяги расположены по образующей с наружной стороны боковых сильфонов и внутри среднего сильфона. 2. Компенсатор по п.1, отличающийся тем, что разгрузочные тяги внутри среднего сильфона изолированы от рабочей среды гибкими элементами, например, сильфонами или шлангами, соединенными с внутренними фланцами непосредственно или через промежуточные патрубки. 3. Компенсатор по п.1, отличающийся тем, что эффективная площадь среднего сильфона равна сумме эффективных площадей двух боковых сильфонов и изолирующих элементов.